Skip to content

Гайд по выбору CAD-программы от Formlabs#

Info

Перевод статьи из блога американского производителя 3D-принтеров и материалов для 3D-печати - студии Formlabs.
Сделан моим отцом с целью поддержать интересное начинание.

САПР (CAD) является инструментом, с помощью которого проектное решение доводится до состояния готовности к промышленному внедрению. Это важнейшая программная среда, в которой разработчики и инженеры переводят концептуальные эскизы в трехмерные модели, которые затем визуализируются, оптимизируются, моделируются и могут быть непосредственно напечатаны на 3D-принтере или изготовлены с помощью традиционных средств производства.

За несколько десятилетий основная база программ САПР расширилась и теперь включает в себя десятки жизнеспособных альтернатив, каждая из которых располагает своими достоинствами и недостатками, подходами к моделированию и нишевым применением. Давайте рассмотрим предлагаемые программы с тем, чтобы сделать правильный выбор виртуальной рабочей среды, которая могла бы использоваться вами на протяжении всех этапов профессиональной деятельности.

Что представляет собой программное обеспечение САПР?#

САПР — это метод цифрового создания 2D-чертежей и 3D-моделей, который заменил черчение от руки во многих отраслях промышленности. Программные инструменты САПР позволяют разработчикам исследовать идеи для создания проекта, легко вносить изменения в проектные решения, визуализировать концепции с помощью изображений, моделировать рабочие характеристики инженерно-технического проекта в реальной обстановке, составлять документацию, обмениваться техническими решениями для получения обратной связи и т. д., что способствует продвижению инноваций и позволяет компаниям быстрее выходить на рынок.

Программное обеспечение САПР существует с 1959 года, когда Дуг Росс, исследователь из Массачусетского технологического института, ввел в обращение термин «автоматизированное проектирование» после разработки программы, которая позволила его команде создавать чертежи электрических схем на компьютере, реализуя таким образом свой потенциал по быстрому внесению конструктивных изменений и проведению исследований.

К началу 1980-х годов САПР были интегрированы в рабочие процессы автомобильной промышленности, авиации и производителей бытовой электроники, которые могли себе это позволить. В 1990-х годах устройства для моделирования трехмерных объектов сделали возможным контурное представление, то есть более последовательное описание виртуальных объектов по их границам и взаимным соединениям. Это было использовано в хорошо известных ныне системах SolidWorks (1995), SolidEdge (1996) и Autodesk Inventor (1999).

В 2000-е годы стали появляться САПР с открытым исходным кодом, такие как, например, FreeCAD. Кроме того, были разработаны новые функции и модули для различных программ САПР, которые позволили проектировщикам не только осуществлять разработку физического продукта, но также визуализировать, анимировать и моделировать его, а также интегрировать разработку продукта в общие процессы управления проектами и управления жизненным циклом изделия (ЖЦИ).

Самые последние САПР развернуты в облаке, что позволяет разработчикам проводить совместную работу над одной и той же моделью, используя различные рабочие станции, и загружать в «облако» алгоритмы обработки больших объемов данных, используемые для генеративного проектирования, моделирования и визуализации. Усовершенствованные возможности имитационного моделирования позволяют проводить тестирование проектного решения с учетом многочисленных технических особенностей, для чего требуется всего несколько часов, а не дней. Генеративное проектирование превращает компьютер в соавтора, который использует искусственный интеллект, стремясь предложить оптимальные модели для решения конкретных технических задач.

К преимуществам интегрирования САПР в процесс разработки изделий относится:

  • Быстрая разработка концепции: предусмотренные проектные решения могут быть в точности отображены на схеме для ранней визуализации и быстрого создания прототипов с помощью 3D-печати.
  • Специализация: распространение САПР во всей организации способствует развитию конкретных знаний, которые приводят к общему пониманию того, как довести конкретные детали до стадии готовности к внедрению в производство.
  • Визуализация: клиенты и целевые потребители могут быть информированы и получать впечатление от новейших вариантов 3D-визуализации и анимации проектов на стадии разработки, а также применимых к ним функциональных возможностям виртуальной реальности.
  • Оптимизация: сбои и недостатки могут быть обнаружены и оптимизированы намного быстрее в виртуальной среде. Несоответствия между конструкторским замыслом и реальными условиями промышленного производства устраняются с помощью автоматически выполняемых чертежей с допусками точности.
  • Быстрое изготовление: изделия могут быть переданы в производство быстрее за счет использования автоматизированных систем управления производством (АСУП) и технологий быстрого изготовления.

Области применения САПР#

Традиционно комплексы программных средств, предназначенных для САПР, приводят к созданию набора автоматически создаваемых чертежей, которые информируют завод о том, как следует производить изделие, а также о технологии производства, материалах, видах окончательной обработки формованных изделий и требуемых допусках. Однако в настоящее время они в состоянии сделать гораздо больше:

  • Создание фотореалистичных изображений для внутренних презентаций и маркетинговых материалов.
  • Интеграция со спецификацией материалов (BOM) для управления всеми компонентами в процессе сборки и при составлении сметы.
  • Прямой импорт стандартных механических компонентов и / или декоративных элементов по соединенным ссылкам на базы данных различных поставщиков.
  • Получение образца формы для литья из детали после настройки ряда основных параметров.
  • Оказание содействия при проектировании и моделировании компонентов из листового металла, сварных рам и композитных деталей.
  • Расчет изделия на прочность и устойчивость (используя метод конечных элементов - FEA), моделирование испытаний на падение и автоматически создаваемые при помощи генеративного проектирования (ГП) предложения по оптимизации.
  • Анализ заполнения формы материалом при его заливке под давлением методом впрыска.
  • Исследование тепловых, вибрационных и аэродинамических характеристик.
  • Анализ перемещения и выявление задеваний движущихся деталей у сборных изделий.
  • Исследование эргономики на примере трехмерных манекенов, которые способны принимать нужную форму.
  • Выравнивание поверхности для чертежей штампов, основываясь на трехмерной модели.
  • Алгоритмы раскроя для оптимизации компоновки деталей на 2D-платформе установки лазерной резки или 3D-принтера.
  • Автоматические настройки устройств для крапановой закрепки драгоценного камня при создании ювелирных изделий.
  • Проведение модельных экспериментов с тканями и надувными изделиями.
  • Системы управления ЖЦИ, предназначенные для контроля за сборкой, историей конструкции детали, поставками, конструктивными изменениями, форматами файлов, метаданными, оценкой стоимости, изготовителями и поставщиками, совместными проектами, управлением доступом, управлением пересмотра проектных решений, планированием производственного процесса, а также соответствующими файлами с данными о деталях, документацией и презентациями.
  • Усовершенствованное Определение геометрических размеров и допусков (GD&T) с целью передачи цели проекта и оптимизации производственного процесса.
  • Прямой импорт данных 3D-сканирования для конструктивно-технологического анализа.
  • Подготовка моделей для 3D-печати.
  • Отображение текстуры и раскрашивание для использования при художественном оформлении, в видеоиграх, фильмах и полноцветной 3D-печати.

Виды программного обеспечения САПР#

В кругах профессионалов, которые придерживаются более консервативных подходов, САПР обычно относят к параметрической системе, у которой имеются некое дерево истории процесса и более широкие возможности для работы с довольно связанными и сложными конструкциями, в отличие от программного обеспечения для 3D-моделирования, которое предназначено, главным образом, для того, чтобы создавать модели для визуализации или в художественных целях. В настоящей статье мы используем САПР для обозначения любой программы, которая может создавать применимые в работе 3D-модели для таких производственных процессов как, например, инжекционное формование, термоформование или 3D-печать. Степень управления параметрами, в конечном итоге, сама представляет собой характеристику программы, которую разработчик может выбирать.

Наименее жесткий контроль размеров отмечается у средств моделирования произвольных форм или программ для создания скульптур из виртуальной глины, когда пользователь создает определенные формы, используя при этом базовый сетчатый объект, и может свободно модифицировать их без каких-либо числовых ограничений. Наиболее известными примерами такого рода являются программы ZBrush и Mudbox.

В полигональном моделировании, также известном как сеточное, каркасное или блочное моделирование, пользователь также начинает с базовой сетки, но вместо того, чтобы создавать формы в общих чертах, деформирует ее, производя операции с элементами сетки: ее вершинами, ребрами и плоскостями. Кроме того, имеются модификаторы / деформаторы, которые работают с формой в целом, выполняя, например, изгиб, скручивание, выглаживание и трансформацию форм. Это предоставляет в распоряжение разработчика определенные функции числового программного управления, хотя определенные элементы остаются не связанными со всеми остальными элементами модели. Wings3D - это бесплатный вариант 3D-редактора, а программы для создания блочных моделей, такие как 3D Studio Max, Maya, Blender и Cinema4D также включают в себя расширенные возможности анимации и визуализации.

Моделирование трехмерных объектов представляет собой наиболее простой способ 3D-проектирования моделей пригодных для производства. Изначально виртуальное проектное решение рассматривается как производимый трехмерный объект, к которому пользователь затем добавляет или удаляет материалы, используя для этого методы конструктивной блочной геометрии (КБГ). Такие программы, как SolidWorks и SolidEdge позволяют создавать эскизные чертежи различных частей модели, которые затем можно «выдавливать» или вращать вокруг оси с целью создания новых элементов.

Системы моделирования поверхностей рассматривают виртуальный объект как набор поверхностей, и только если они полностью соединены со всех сторон, модель можно назвать «безупречно составленной» и впоследствии преобразовать в трехмерное тело, которое готово к производству, например, для 3D-печати. Разработчик начинает с создания эскизных чертежей, которые затем перемещаются по направляющей планке, вращаются вокруг оси или отправляются к другим эскизным чертежам. Затем поверхности можно совмещать друг с другом и обрезать, чтобы создавать сложную конструкцию детали. Поверхности могут прикасаться друг к другу таким образом, что одна из них непосредственно перетекает в другую. Это называется (геометрической) непрерывностью G1. Однако, если изменение сопряжения на всей поверхности также остается постоянным, то его можно называть непрерывным по кривизне или G2. Расширенные возможности моделирования поверхностей, которые сопрягаются по G2, предлагают такие программы, как Alias, Creo и Rhinoceros. Когда изменение кривизны также должно оставаться плавным, например, при оптимизации аэродинамики, то это является непрерывностью G3, и проектировщик входит в мир моделирования поверхностей класса A, для которого подходят только самые передовые комплексы программных средств как, например, CATIA. Выбирая средство моделирования поверхностей, важно знать, что используемый им «движок» создает объекты из поверхностей NURBS, Безье, Т-образных сплайнов или поверхностей Кунса, формирование которых утратило актуальность.

Инструменты параметрического моделирования предоставляют разработчику полный контроль над процессом создания модели в отличие от прямого моделирования. Каждый элемент может быть создан на основании набора геометрических параметров и ограничительных условий, которые определяют его размер, форму и местоположение. Данные элементы накладываются друг на друга, создавая дерево истории модели, отражающее процесс построения модели. Разработчик при этом в большей степени работает непосредственно с параметрами, формирующими проектное решение, а не над самой геометрией. Это обогащает рабочий процесс тем, что позволяет программировать или давать описание элементов проекта, открывая огромный спектр новых возможностей по созданию текстур, шаблонов и различных вариантов для адаптации изделия к требованиям заказчика. Средства параметрического моделирования по максимуму используют САПР, всегда оставляя возможность для оценки того, не мешают ли они содержанию исследования. Довольно часто в ходе творческого процесса шаг в направлении параметрического моделирования делается слишком рано. Такие программы как CATIA, Creo и OnShape включают в себя расширенные функции параметрического моделирования. В то время как Rhinoceros представляет собой инструмент прямого моделирования, его подключаемый модуль Grasshopper является ярким примером того, как в процесс может быть внедрен параметрический контроль. В OpenSCAD вся геометрия закодирована в отдельном окне, а не представлена непосредственно в виртуальном пространстве. В Antimony написание текстовых сценариев заменено на более интуитивно понятную модульную блок-схему, сходную с Grasshopper. Даже программный продукт SolidWorks допускает определенное управление на основе данных с использованием документа электронной таблицы для определения входных данных.

В генеративном проектировании сложные результаты генерируются компьютером исключительно за пределами человеческого видения со стороны разработчика. Формирование проекта может быть изменено с помощью ручного ввода входных чисел, после чего модель будет соответствующим образом обновлена. Это также может быть частично или полностью выполнено искусственным интеллектом, который в состоянии дополнить процесс 3D-моделирования рекурсией и эволюцией в направлении оптимальных форм, как отмечается в оптимизации топологии. Большинство современных САПР представляют собой комбинированные комплексы средств автоматизированного проектирования в том смысле, что они включают в себя компоненты и инструменты из целого ряда различных подходов к моделированию в САПР согласно требованиям конкретной отрасли или типа изделия. SolidWorks и Cobalt лучше всего работают с трехмерными моделями, но также предлагают удивительные возможности для обработки поверхностей. CATIA, Siemens NX и Creo располагают расширенными мощностями по трехмерному и поверхностному моделированию, а также имеют опции для моделирования произвольных форм, оставаясь при этом полностью параметрическими. Blender предлагает как полигональное моделирование, так и «лепку» фигур в единой среде. SelfCAD и Fusion360 сочетают сеточное моделирование с трехмерным моделированием. Даже ZBrush является гибридной системой, в которой, помимо «куска» виртуальной глины для работы, также предлагаются отличные инструменты для полигонального моделирования.

Что касается аппаратного обеспечения, то мощный центральный процессор, графический процессор и расширенная оперативная память являются обязательными, особенно для параметрического программного обеспечения САПР и систем, не использующих облачные технологии. Инвестиции в контроллер или мышь, предназначенные для 3D-проектирования, приносят существенную выгоду.

Как выбрать среду САПР#

Может возникнуть соблазн выбрать часть программного обеспечения САПР на основе набора функций, которые имеют определенную привлекательность или ценность новизны. Однако крайне важно оценить, действительно ли данный набор функциональных возможностей меняет правила игры, включает в себя радикальные инновации или является лишь дополнительным улучшением предельного значения показателя.

Способность соответствовать требуемой сложности вашего изделия имеет жизненно важное значение для выбираемого вами виртуального рабочего пространства. Потребуется ли для вашего изделия улучшенная обработка поверхности как, например, создание плавных переходов между кривыми, выравнивание поверхности для мягких изделий или формирование таких элементов изображения как, например, ступенчатые переходы? Понадобятся ли для него расширенные функциональные возможности по утолщению стен, параметрический контроль всех размеров или усовершенствование проектного решения для сборки более чем 100 деталей?

При добавлении инструментов САПР в цепочку процессов разработки не стоит недооценивать совместимость форматов файлов. В случае несоответствия может потребоваться некоторое время для того, чтобы убедиться, что при переносе из одного формата в другой ничего не потеряно.

Далее, следует изучить комплексность всего последующего рабочего процесса помимо проектирования деталей. Будет ли программа использоваться только для технического переноса данных концептуальных эскизных чертежей, сделанных на бумаге, или также для проведения творческих исследований? Потребуется ли проведение анализа механических свойств при подготовке к производству? Будет ли компания выпускать несколько партий одного и того же изделия или аналогичную продукцию того же модельного ряда с одинаковыми компонентами? Потребуется ли из-за компонентов вносить радикальные изменения, которые потребуют контроля всего дерева истории процесса? Есть ли возможность облачного хранилища или сетевой визуализации, или все будет зависеть от локальных серверов и рабочих станций? Как часто вам нужно будет печатать на 3D-принтере прототипы или готовые детали?

Лучше всего, до принятия решения о покупке произвести оценку пробной версии программного обеспечения в течение нескольких недель. Это позволит вам проверить, насколько сильно программное обеспечение нагружает центральный и графический процессор компьютера, достаточно ли оно надежно или все еще содержит ошибки, приводящие, в том числе, к сбоям, и как будет работать управление файлами.

Затем проверьте, является ли программное обеспечение стандартной частью локальной образовательной программы. Если команда разработчиков или инженеров в компании, скорее всего, не знакома с программным обеспечением, то стоит подумать о том, в какой степени пользовательский интерфейс для них интуитивно понятен, чтобы они могли за короткий срок пройти обучение и быстро включиться в проекты. Настраивается ли графический пользовательский интерфейс для удовлетворения потребностей начинающих и опытных пользователей, а также для установления «горячих» клавиш для наиболее часто используемых команд?

И, наконец, поскольку современные САПР системы становятся все более дорогими, в некоторых случаях стоит рассмотреть некоторые бесплатные или доступные альтернативы. Например, DesignSpark является бесплатной альтернативой AutoCAD. Для замены ZBrush есть бесплатные программы ZBrush Core Mini и Sculptris. Blender можно получить совершенно бесплатно, при этом редактор дает те же результаты, что Maya и 3D Studio Max, а если это слишком сложно, то, например, Wings3D представляет собой простой в освоении и также бесплатный инструмент полигонального моделирования. Solid Edge является упрощенным вариантом NX, в то время как SolidWorks, хотя и считается менее продвинутой и совершенной программой, зачастую работает так же хорошо, как CATIA. FreeCAD - это бесплатный редактор с открытым исходным кодом, который станет отличным началом для тех, кто хочет погрузиться в создание моделей с поэлементным построением.

Изучаем САПР#

При начале обучения программному обеспечению важно, в первую очередь, изучить стратегии моделирования и правильную организацию таких рабочих процессов как, например, соблюдение условных обозначений при присвоении имен, группировка деталей в дереве геометрических и функциональных характеристик, создание резервных копий и последовательное обращение к глобальным переменным и системам координат. Это определит качество всей будущей работы — без прочного фундамента у вас могут впоследствии возникнуть проблемы с решением более сложных задач.

Что касается моделирования, то при помощи инструментов параметрического моделирования поверхностей обычно предпочтительнее создавать свободно перемещаемые поверхности, которые легко расширяются в пространстве с той и другой стороны, а на последующем этапе объединять различные поверхности в объемное тело, что отличается от "кусочного моделирования", в ходе которого каждая поверхность создается индивидуально и сразу соединяется со своим окружением. Подход, ориентированный на "эталонное моделирование", еще больше расширяет возможности планирования. В этом случае все известные размеры в эскизных чертежах размечаются еще до того, как начинает формироваться получаемая геометрия трехмерного тела и поверхности. Но это хорошо работает только в тех случаях, когда нужно провести небольшой творческий поиск, и разработчик модели стремится как можно скорее перейти к обоснованию инженерно-технических решений. Наложение используемых подходов друг на друга может привести к структурным сбоям в тех случаях, когда требуются радикальные изменения. Такие элементы как закругления и плавные переходы лучше всего моделировать вместе на более позднем этапе, как и проводить такие сложные в вычислительном плане операции как формирование изображений, построение логических функций, а также получение рельефного оттиска текста или изображения. Проведение работ начиная с черновой стадии и до детальной проработки также является стандартной процедурой в процессе моделирования с использованием сетки и виртуальной глины, при этом попутно создается большое количество резервных копий.

Существует множество учебных ресурсов, доступных в интернете. Как только у вас появится инструмент САПР по вашему выбору, просто изучите учебные пособия на веб-сайте разработчика и на Youtube

Приступаем к работе в САПР с 3D-печатью#

В настоящем обзоре мы дали оценку львиной доли САПР, предлагаемых в настоящее время на рынке, и сравнили их по таким наиболее важным функциям как основное назначение, необходимый уровень опытности, удобство для пользователя, цена, а также функциональная адаптируемость и уровень специализации в плане моделирования поверхностей, объемных, полигональных и произвольных форм.

Для более крупных проектов лучшим выбором будут инструменты параметрического моделирования. Сложность этапов процесса моделирования и конструкции изделия будет определять, какую конфигурацию САПР предпочтительнее всего использовать. Лучшие системы обеспечивают комбинирование подходов к моделированию, широкий спектр элементов моделирования и форматов файлов, интеграцию управления ЖЦИ и баз данных, генеративное проектирование на основе данных и множество удобных для пользователя рабочих пространств, позволяющих реализовывать проект на протяжении всех его этапов: разработки, выполнения проектно-конструкторских работ, производства, масштабирования и продаж.

Наиболее важным в связи с САПР решением, которое необходимо принять, является выбор программной среды. Выбор должен быть разумным образом нацелен на отраслевой стандарт как, например, SolidWorks или NX. Облачные системы типа Fusion 360 или OnShape являются более новыми и отчасти более рискованными, но они становятся все больше многофункциональными и надежными. Rhinoceros станет отличным выбором для тех, кто хочет быстро создавать сложные формы, не нуждаясь в ограничении размеров. Для художников лучшим выбором будет среда «лепки» изображения, усовершенствованная с помощью таких программ полигонального моделирования как ZBrush, Maya или Blender. Для оперативных проектов самыми простым для изучения программным обеспечением САПР являются FreeCAD, TinkerCAD, Fusion 360 и SketchUp.